CN106906901B - 多灾害防御结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多灾害防御结构，包括：预制框架柱、预制框架梁，以及用于连接预制框架柱和预制框架梁的耗能角钢连接器、剪力传递板和多灾害防御拉结筋。通过多灾害防御拉结筋配合耗能角钢连接器，实现地震下结构的自复位与耗能；通过剪力传递板配合多灾害防御拉结筋，满足框架结构防连续倒塌的承载力与大变形需求。由此，可以有效减小预制结构在发生地震及连续倒塌时的破坏，实现了在地震作用下自复位、灾后仅更换耗能角钢连接器即可修复的预制框架，大大提高了预制结构的抗震、抗连续倒塌性能及可修复能力，为减小灾害带来的损失具有重要意义。

Description

多灾害防御结构
技术领域
本发明涉及土木结构工程技术领域，尤其涉及一种多灾害防御结构。
背景技术
近年来，随着我国经济的快速稳定发展以及人们对节能环保的日益关注，工业化的建造方式由于在建造住宅将时比传统的现浇施工工艺更节约成本，因而，建筑产业化正逐渐成为未来我国建筑业发展的一大方向。
其中，装配式结构的关键技术要求是保证预制结构具有足够的刚度、延性和承载力。然而，建筑结构在其使用的全寿命周期内可能面临来自不同灾害的威胁，提高结构的多灾害防御能力是未来土木工程的发展方向。对于我国目前广泛使用的钢筋混凝土框架结构而言，由于地震和连续倒塌都可能会导致大量的人员伤亡和经济损失，因而地震和连续倒塌是框架结构设计及使用过程中必须考虑的两个主导因素。比如，汶川震害调查表明，框架结构在地震后修复工作量很大，费用很高；又比如，最典型的框架结构连续倒塌案例即俄克拉何马城爆炸案中，令方圆16个街区的324幢建筑物受损或被毁，其中联邦政府大楼(钢筋混凝土框架结构)在遭受初始破坏后由于连续倒塌导致其三分之一的结构被完全摧毁。
因此，如何全面提升预制结构的抗震及抗连续倒塌性能，减小灾后修复的成本，对建筑产业的发展有极其重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种多灾害防御结构，可以有效减小预制结构在发生地震及连续倒塌时的破坏，实现了震后自复位、灾后仅更换耗能角钢连接器即可修复的预制框架，从而大大提高了预制结构的抗震、抗连续倒塌性能及可修复能力，为减小灾害带来的损失具有重要意义。
为了实现上述目的，本发明提出的多灾害防御结构，包括：预制框架柱、预制框架梁，以及用于连接所述预制框架柱和所述预制框架梁的耗能角钢连接器和多灾害防御拉结筋。
本发明实施例的多灾害综合防御结构，在发生地震时，由多灾害防御拉结筋提供自复位能力，利用耗能角钢连接器耗散灾害中的能量；结构在局部构件失效后，通过多灾害防御拉结筋、耗能角钢受拉，承受施加在结构上的荷载，防止破坏在结构内传播，避免了结构的连续倒塌。由此，可以有效减小预制结构在发生地震及连续倒塌时的破坏，实现了震后自复位、灾后仅更换耗能角钢连接器即可修复的预制框架，从而大大提高了预制结构的抗震、抗连续倒塌性能及可修复能力，为减小灾害带来的损失具有重要意义。
另外，本发明实施例的多灾害防御结构，还具有如下附加的技术特征：
在本发明的一个实施例中，所述预制框架柱和所述预制框架梁上均设置有螺栓孔，所述耗能角钢连接器通过所述螺栓孔连接所述预制框架柱和所述预制框架梁。
在本发明的一个实施例中，所述预制框架柱和所述预制框架梁上均设置有预留拉结筋孔道，所述多灾害防御拉结筋通过所述预留拉结筋孔道连接所述预制框架柱和所述预制框架梁。
在本发明的一个实施例中，所述耗能角钢连接器上设置肋板。
在本发明的一个实施例中，在所述预制框架柱的节点区设置外包柱套，其中，所述外包柱套上设置有所述螺栓孔和所述预留拉结筋孔道。
在本发明的一个实施例中，所述外包柱套比所述预制框架梁高300-600mm。
在本发明的一个实施例中，在所述外包柱套上焊接剪力传递板。
在本发明的一个实施例中，在所述剪力传递板上设置满足所述防御结构连续倒塌时大变形需求的变形长孔和预留螺杆孔道。
在本发明的一个实施例中，在所述外包柱套表面上的所述预留拉结筋孔道处设置多灾害防御拉结筋锚具锚固所述多灾害防御拉结筋。
在本发明的一个实施例中，在所述预制框架梁的梁端设置梁端钢套，其中，所述梁端钢套中设置有所述螺栓孔和所述预留拉结筋孔道。
在本发明的一个实施例中，在所述预制框架梁上设置预留螺杆孔道，用于通过高强螺杆与设置在所述预制框架柱上的剪力传递板连接。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的多灾害防御结构的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的多灾害防御结构中节点区地震作用下的变形示意图；
图3是根据本发明一个实施例的多灾害防御结构中节点区受力示意图；
图4是根据本发明一个实施例的多灾害综合防御结构的剖面示意图；
图5是根据本发明一个实施例的多灾害防御结构中部分竖向构件发生破坏后的结构示意图；
图6是根据本发明一个实施例的外包柱套的三视图；
图7是根据本发明一个实施例的梁端钢套的三视图；
图8是根据本发明一个实施例的多灾害防御结构的部分节点区剖面示意图；以及
图9是根据本发明另一个实施例的多灾害防御结构的部分节点区剖面示意图。
附图标记：
预制框架柱1；预制框架梁2；耗能角钢连接器3；多灾害防御拉结筋4；外包柱套5；梁端钢套6；高强螺栓7；多灾害防御拉结筋锚具8；高强螺杆9；剪力传递板10；大变形长孔11；预留拉结筋孔道12。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的多灾害防御结构。
其中，本发明实施例的多灾害防御结构主要适用于预制装配式钢筋混凝土框架。
图1是根据本发明一个实施例的多灾害防御结构的结构示意图。图8是根据本发明一个实施例的多灾害防御结构的部分节点区剖面示意图。
如图1所示，该多灾害防御结构包括：预制框架柱1、预制框架梁2、耗能角钢连接器3和多灾害防御拉结筋4。
其中，耗能角钢连接器3和多灾害防御拉结筋4用于连接预制框架柱1和预制框架梁2，多灾害防御拉结筋4用于在两端张拉预应力，在实际应用中，多灾害防御拉结筋采用后张法施工。
构件中的耗能角钢连接器3需保证能提供至少1/2的抗弯承载力贡献，即保证附图3中的AT×h≥0.5Mk，其中，对于抗弯承载力不足的耗能角钢连接器3，可以增加肋板。因此，耗能角钢连接器的作为一种耗能构件，不限制于常规角钢，可以在角钢上增加耗能肋板，当前在一些应用场景下，也可以不在角钢连接器3上增加肋板。
其中，预制框架柱1和预制框架梁2上均设置有供高强螺栓7穿过的螺栓孔(图8)，耗能角钢连接器3通过螺栓孔连接预制框架柱1和预制框架梁2。
更具体地，预制框架柱1和预制框架梁2上均设置有预留拉结筋孔道12(图8)，多灾害防御拉结筋4通过预留拉结筋孔道12连接预制框架柱1和预制框架梁2。
优选地，预留拉结筋孔道12与预制框架梁2的上下表面距离为100-200mm。
其中，上述预留拉结筋孔道12可以为多个，且多个拉结筋孔道的方向一致，预留拉结筋孔道12的数量等于多灾害防御拉结筋4的数量。
当然，在实际应用中，多灾害防御拉结筋4的数量也可不和预留拉结筋孔道12的数量对应，比如，多灾害防御拉结筋4的数量为3个，预留拉结筋孔道12的数量可为4个，其中，预留拉结筋孔道12中穿过一个多灾害防御拉结筋4，其中，有一个预留拉结筋孔道12中没有穿过多灾害防御拉结筋4等。
需要说明的是，无论多灾害防御拉结筋4的数量和预留拉结筋孔道的数量对应关系如何，多灾害防御拉结筋4的钢筋配筋量应当由结构抗震需求和抗连续倒塌需求共同决定。
作为一种实现方式，抗震设计中，首先从结构的设计资料中获得结构梁端弯矩的标准组合值Mk，在正常使用阶段，保证梁柱不张开夹角。由于多灾害防御拉结筋4布置在框架梁的上下端，结构变形如图2所示，节点受力示意图如图3所示，多灾害防御拉结筋力分别为PT1和PT2，角钢中力为AT1和AT1，因此预应力筋的抗弯贡献(节点区的张开弯矩)为PT1×h1+PT2×h2，由于上下预应力筋中的力相同(设为PT)，且h1+h2＝h，因此根据节点区弯矩平衡有如下公式(1)所示：
PT×h＞Mk (1)
通过给定多灾害防御拉结筋4中的预应力水平可以得到单边多灾害防御拉结筋4的配筋面积如下公式(2)所示：
Figure BDA0001254328880000041
其中α为预应力钢筋的预应力水平(％)，fpy为预应力筋的抗拉强度设计值，在本实施例中，h＝0.5m，Mk＝87.3kN·m，预应力水平取30％，fpy＝1320MPa，由此可以计算出单边预应力筋的最小配筋面积为：87.3×1000/(0.5×0.3×1320)＝264.5mm2，因此单侧配筋不应少于
Figure BDA0001254328880000043
两侧合计配筋
Figure BDA0001254328880000044
作为另一种实现方式，在抗连续倒塌设计中，可以按照防连续倒塌规范的拉结法计算的拉结力Tc需求计算配筋量，考虑大变形时多灾害防御拉结筋中拉力最大达到抗拉强度设计值，因此考虑抗连续倒塌需求的预应力筋的配筋面积计算如下公式(3)所示：
Figure BDA0001254328880000042
本实施例中，Tc＝756kN，因此最小配筋面积为：756×1000/1320＝572.7mm2，合计配筋需
Figure BDA0001254328880000045
结构的最终配筋综合考虑上述抗震设计与抗连续倒塌设计，取较大值得到。
为了更加清楚的对多灾害防御拉结筋4的位置进行说明，下面结合如图4所示的多灾害综合防御结构的剖面示意图进行描述，在图4中，预留拉结筋孔道12与多灾害防御拉结筋4的数量为两个，继续参照图4，多灾害防御拉结筋4穿过预留拉结筋孔道12连通预制框架柱1和预制框架梁2。
具体而言，当灾害比如地震发生时，受到地震的往复荷载的场景下，预制框架柱1和预制框架梁2形成一定的夹角，耗能角钢连接器3和多灾害防御拉结筋4受拉。
从而，在一些场景下，继续参照图2，耗能角钢连接器3在地震作用下受拉屈服，并耗散地震能量，多灾害防御拉结筋4受拉保持弹性状态，在地震结束后，在多灾害防御拉结筋4的预应力的作用下，多灾害综合防御系统恢复到如图1所示的状态。如图5所示，在结构遭受爆炸或撞击等意外事件失去竖向构件后，基于多灾害防御拉结筋4、耗能角钢连接器3及剪力传递板10提供的竖向力，预制框架梁2中高强螺杆在剪力传递板10的大变形长孔11中滑动，适应结构的变形，结构不发生连续倒塌，灾后仅仅需要更换对应的耗能角钢连接器3和对应受损的竖向构件，进而再用千斤顶等设备将预制框架梁2归位即可恢复使用。
综上所述，本发明实施例的多灾害综合防御结构，在发生地震时，由多灾害防御拉结筋提供自复位能力，利用耗能角钢连接器耗散灾害中的能量；结构在局部构件失效后，通过多灾害防御拉结筋、耗能角钢受拉承受施加在结构上的荷载，防止破坏在结构内传播，避免了结构的连续倒塌。由此，可以有效减小预制结构在发生地震及连续倒塌时的破坏，实现了在灾后仅仅更换耗能角钢连接器即可修复的新型预制架构，从而大大提高了预制结构的抗震、抗连续倒塌性能及可修复能力，为减小灾害带来的损失具有重要意义。
基于以上实施例，在实际应用中，为了进一步降低预制结构在灾害中的破坏，需在预制框架柱1和预制框架梁2外设保护装置，在本发明的实施例中，如图1所示，还提供外包柱套5和梁端钢套6，其中，梁端钢套5中设置有供高强螺杆9穿过的螺栓孔和预留拉结筋孔道12(图8)。
在实际应用中，在预制框架柱1的节点区浇筑外包柱套5，其中，外包柱套5上设置有供螺栓7穿过的螺栓孔和预留拉结筋孔道12。
外包柱套5与梁端钢套6的主要作用是保护预制框架梁2和预制框架柱1在灾害作用下不发生破坏，构件交界面保持完好。梁端钢套6的长度一般取为梁跨的1/12即可。在本发明的一个实施例中，外包柱套5比预制框架梁2高300-600mm。
其中，外包柱套5与梁端钢套6的具体结构，可参照图6所示的外包柱套5的三视图，以及如图7所示的梁端钢套6的三视图。
并且，为了进一步在预制结构受到灾害破坏力时提供抗力，避免预制架构发生连续倒塌，继续参照图1，需在外包柱套5上设置剪力传递板10，其中，在剪力传递板10上设置满足防御结构连续倒塌时大变形需求的变形长孔11，此外，在预制框架梁2上设置预留螺杆孔道12，用于连接设置在预制框架柱上的剪力传递板10。
在本发明的一个实施例中，继续参照图1，在外包柱套5表面上设置多灾害防御拉结筋锚具8锚固多灾害防御拉结筋。
即继续参照图1，剪力传递板10的一端与预制框架柱1连接，另一端与预制框架梁2连接，用于提供多灾害综合防御系统变形空间。
具体而言，参照图8，多灾害综合防御系统中还包括高强螺杆9，高强螺杆9从变形长孔11中穿出来，其中，变形长孔11为高强螺杆9提供滑动空间。
在实际应用中，预制框架梁2与预制框架柱1的连接如图8及图9所示，施工时，先将预制框架梁柱1上的螺栓孔位与耗能角钢连接器3对齐，再用高强螺栓9及耗能角钢连接器3和预制框架柱1、预制框架梁2连接在一起，同时将高强螺杆9穿过抗剪钢板11上预留的大变形长孔11及预制框架梁2中的预留螺杆孔位，采用扭力扳手将构件上的螺栓拧到位，完成构件的初步连接。初步连接完成后，将多灾害防御拉结筋从构件的中的预留拉结筋孔道12穿过，并在构件两端用多灾害防御拉结筋锚具8锚固。
在发生地震等灾害时，由于结构在大变形下的防连续倒塌承载力由剪力传递板10和多灾害防御拉结筋4提供，梁上的剪力主要通过高强螺杆9传递到剪力传递板10上，因此需对高强螺杆9进行抗剪验算，单个螺杆的剪切面个数为n＝2，考虑倒塌是梁柱的相对转角为θ＝0.2，根据悬链线机制拉力需求可以计算出螺杆承受剪力为θTc，一个剪切面的抗剪强度为fv，螺杆截面积为A因此如下公式(4)所述：
nAfv＞θTc (4)
当然，在实际应用中，剪力传递板同样需验算截面的抗剪承载力以得到板材厚度，设计剪力同样为θTc，剪力传递板个数为n，高度为h，厚度为t，则可以计算出截面的惯性矩I，面积矩S，由此可以计算出剪力传递板10上剪力最大值如下公式(5)所示：
Figure BDA0001254328880000061
需要注意的是，随着构件尺寸的增大，可以在节点区布置多个剪力传递板并用多个高强螺杆连接。
另外，在实际应用中，连接螺栓采用高强螺栓9，保证考虑连续倒塌拉结法设计预拉力下高强螺栓与外包柱套5及梁端钢套6不脱开，不发生破坏，因此保证柱上高强螺栓9的预拉力合力及梁上高强螺栓9的抗剪承载力合力均大于θTc即可。
因而，本发明的多灾害防御结构保证了结构不仅在震后损伤分布明确、残余层间位移角小及损伤构件可修复等，还提高了结构的防连续倒塌性能，保证了结构在局部构件失效后，剩余结构能承受施加在结构上的荷载，避免破坏在结构内传播。
综上所述，本发明实施例的多灾害防御结构，地震等灾害作用下，结构中的多灾害防御拉结筋提供自复位能力，梁柱连接的耗能角钢连接器耗散地震能量，同时由于有外包柱套和梁端钢套的保护，结构在地震后不发生破坏，仅更换用于预制框架梁柱连接的耗能角钢连接器即可恢复使用；由于意外事件(爆炸、车辆撞击等)而导致部分竖向构件发生破坏时，结构中的多灾害防御拉结筋配合外包柱套上的剪力传递板在在大变形下提供充足的悬链线机制抗力，防止结构发生连续倒塌，灾害作用后，由于有多灾害防御拉结筋的帮助，可用千斤顶将变形构件顶回原位并更换耗能角钢连接器及受损的竖向构件即可恢复使用。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种多灾害防御结构，其特征在于，包括：
预制框架柱、预制框架梁，以及
用于连接所述预制框架柱和所述预制框架梁的耗能角钢连接器和多灾害防御拉结筋；
在所述预制框架柱的节点区设置外包柱套，其中，所述外包柱套上设置有螺栓孔和预留拉结筋孔道；在所述外包柱套上焊接剪力传递板；在所述剪力传递板上设置满足所述防御结构连续倒塌时大变形需求的变形长孔和预留螺杆孔道；在所述预制框架梁的梁端设置梁端钢套，其中，所述梁端钢套中设置有所述螺栓孔和所述预留拉结筋孔道。
2.根据权利要求1所述的多灾害防御结构，其特征在于，
所述预制框架柱和所述预制框架梁上均设置有螺栓孔，所述耗能角钢连接器通过所述螺栓孔连接所述预制框架柱和所述预制框架梁。
3.根据权利要求2所述的多灾害防御结构，其特征在于，
所述预制框架柱和所述预制框架梁上均设置有预留拉结筋孔道，所述多灾害防御拉结筋通过所述预留拉结筋孔道连接所述预制框架柱和所述预制框架梁。
4.根据权利要求1所述的多灾害防御结构，其特征在于，
所述耗能角钢连接器上设置肋板。
5.根据权利要求1所述的多灾害防御结构，其特征在于，
所述外包柱套比所述预制框架梁高300-600mm。
6.根据权利要求1所述的多灾害防御结构，其特征在于，
在所述外包柱套表面上的所述预留拉结筋孔道处设置多灾害防御拉结筋锚具，锚固所述多灾害防御拉结筋。
7.根据权利要求1所述的多灾害防御结构，其特征在于，
在所述预制框架梁上设置预留螺杆孔道，用于通过高强螺杆与设置在所述预制框架柱上的剪力传递板连接。
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